成果報告書詳細
管理番号20140000000508
タイトル平成23年度-平成25年度成果報告書 省エネルギー革新技術開発事業 実用化開発 GaN DC系電力変換デバイスの研究開発
公開日2014/8/21
報告書年度2011 - 2013
委託先名パナソニック株式会社
プロジェクト番号P09015
部署名省エネルギー部
和文要約 材料物性に優れた窒化ガリウム(GaN)を用いたトランジスタの微細化によりオン抵抗と寄生容量を低減し、さらに集積化及びモデリング技術の開発することにより、電力変換機器の低損失化・省エネルギー化に向けての実用化技術の確立に取り組んだ。具体的には、1)GaN結晶成長技術の開発、2)集積GaNデバイス技術の開発、3)モデリング技術の開発に取り組んだ。その結果、DC電力変換デバイスの最終目標である5MHzにて効率88%以上・50A動作を達成した。各開発項目につき取り組んだ成果は以下の通りである。
1)GaN結晶成長技術の開発
 GaNトランジスタのさらなる低抵抗化を目的として、従来のAlGaN/GaNへテロ構造に比較して高い二次元電子ガスのキャリア濃度を期待できる4元系InAlGaNの結晶成長技術を確立した。まずは3元系のInAlN結晶成長技術を確立した後に、さらなる移動度向上が可能な4元ヘテロ構造とデバイス構造を提案し、業界で初めてInAlGaN系ノーマリオフ型トランジスタを実現した。その結果、従来のp型AlGaNゲートを有するノーマリオフ型AlGaN/GaN系トランジスタ(パナソニック独自のGate Injection Transistor:以下GIT)より低いオン抵抗を実現した。
2)集積GaNデバイス技術の開発
 p-AlGaNをゲートにもつトランジスタであるGITのゲート長を0.5μmまで縮小することと、配線の断面積を著しく増大できる立体配線構造を新たに提案し直列抵抗を大幅に低減することで、高速動作の指標であるRonQg(Ronオン抵抗とゲート電荷Qg(寄生容量に相当)の積であり、高速動作に向けては小さければ小さい程良い)を従来Siデバイスの90 pΩCから19 pΩCと大幅に低減することができた。加えて、GaNトランジスタ特有のオフ動作後にオン抵抗が増大する電流コラプスについても検討したが問題ないことを確認、さらに信頼性評価にも取り組んだが、重大な課題は見出されなかった。このトランジスタを用いて12Vを1V前後の電圧に変換する、いわゆるDC/DCコンバータモジュールを設計・作製し、これまで報告のない5MHzという高い周波数において50Aという大電流動作を確認した。また、DC-DCコンバータのトランジスタを複数個集積化することで寄生インダクタを低減したDC/DCコンバータICを設計・作製し、動作周波数5MHzにて業界最高効率となる88%を実現した。さらなる高速・低損失動作を目指し、高速GaNトランジスタとゲート駆動回路を集積化したICを作製し動作を確認した。
3)モデリング技術の開発
 本研究開発で取り組むGaNデバイスは電流密度が高いためにデバイスの温度上昇が懸念され、高周波動作時にはノイズの発生も懸念される。これらの設計課題を支援し、DC/DCコンバータの5MHz超での動作を実現するために統合設計プラットフォームの開発に取り組んだ。まず、回路シミュレーション結果からデバイスの発熱量を正確に見積もるために、電気的特性と温度特性に関する精密なデバイスモデリング技術を確立した。GaNデバイスのスイッチング特性を等価回路で精密にモデリングし、GaNデバイスモデルの温度依存性を実測に対してフィッティングすることによって、GaN DC/DCコンバータ回路のシミュレーション結果からデバイスの発熱量を正確に見積もることを可能とした。さらに、GaNパワーデバイスから放散される熱を安定動作に向けて適切に排熱するために、ダイヤモンド膜による高放熱実装技術を確立した。ダイヤモンド膜の厚膜化と粒径の増大を実施することで、ダイヤモンド膜の熱伝導率の改善を確認した。また、実際のデバイス構造におけるデバイス表面温度をTCADで計算し、表面温度が著しく低減できることを確認した。統合設計プラットフォームに組み込むことで、パッシベーション膜によるデバイス温度低減効果について検討可能とした。加えて、GaN DC/DCコンバータ回路の動作周波数の上昇に伴って現れる波形のリンギングや回路外へ放射される電磁波などを抑制するために、スイッチング波形の等価回路モデル化技術を確立した。
英文要約 In this project, we carried out a research on the technology of power conversion systems using GaN-based transistors for lower conversion loss, by employing the technology of GaN-based transistors with shorter gate length for lower on-resistance and parasitic capacitance, the technology for integration of the insulated gate driver using microwave and the modeling technology of the GaN-based transistors. Specifically, GaN crystal growth technology, GaN device integration technology and modeling technology have been developed. As a result, we have achieved the target of this project which is the conversion efficiency of 88% at operating frequency of 5 MHz for DC power conversion systems. The obtained results for each development are as follows:
1. GaN crystal growth technology
A crystal growth technology for InAlGaN/GaN hetero structures has been developed, which serves to reduce on-state resistance due to their higher 2-dimensional electron gas concentration than those of conventional AlGaN/GaN hetero structures. After the crystal growth technology for InAlN is established, InAlGaN/GaN hetero structures based on the crystal growth technology are studied, which are expected to realize higher carrier mobility. Normally-off InAlGaN-based transistors have been proposed and developed by adopting a novel device structure which suppresses the degradation of carrier mobility, which achieve lower on-state resistance than those of conventional Gate Injection Transistors (GITs) developed by Panasonic.
2. GaN device integration technology
Higher operation frequency in power conversion systems is indispensable to reduce the volume of the systems. To reduce switching loss of transistors in the systems even at higher frequency, we have developed GITs with shorter gate length, which realize lower on resistance and parasitic capacitance. A figure of merit for high frequency operation of transistors, RonQg which is the product of on-resistance Ron and gate-charge Qg has been reduced from 90 p ohm C to 10.9 p ohm C by shrinking down gate length of the transistors and by adopting 3-dimensianal plating structure to increase cross-section area of interconnect. Fatal reliability problems including current collapse phenomenon have not been found in the GaN-based transistors with shrinking gate length. The fabricated DC/DC converter module using those GaN-based transistors showed conversion efficiency of 88% at operating current of 50A. The fabricated DC/DC converter IC integrating a few transistors to reduce parasitic inductances showed conversion efficiency of 88% at operating frequency of 5MHz. The DC/DC converter ICs integrating GaN-based gate driver were also developed to increase conversion efficiency.
3. Modeling technology
In this project, one of major concerns in developing GaN DC/DC converter at operating frequency of 5MHz is temperature of GaN devices whose current density is high. The other concern is electromagnetic (EM) noise generated at high switching frequency. Novel integrated design platform has been developed to fix the concerns before prototyping by combining precise device models and simulation technologies. A device modeling technology for GaN-based transistors taking both electrical and thermal characteristics into account has been established to precisely estimate their heat generation from the result of circuit simulation. Switching characteristics is modeled by equivalent circuit and thermal characteristics are fit to measured values. Precise estimation of heat generation in the devices has been achieved from the simulation result of GaN DC/DC converter circuit.
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